基因組的不穩(wěn)定性是人類遺傳病和癌癥的一大特點(diǎn)。在這篇文章當(dāng)中，研究人員在常染色體隱性遺傳病家族中發(fā)現(xiàn)了有害的 UBQLN4 突變。蛋白酶體穿梭因子UBQLN4 被 ATM 磷酸化并與泛素化的 MRE11 相互作用，從而介導(dǎo)早期的同源重組修復(fù) (HRR)。在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中均證實(shí)，UBQLN4 的缺失會(huì)導(dǎo)致 MRE11 染色質(zhì)的滯留，促進(jìn)非生理性的 HRR。相反，UBQLN4 的過表達(dá)會(huì)抑制同源重組，促進(jìn)非同源末端連接。此外，作者還發(fā)現(xiàn) UBQLN4 在侵略性地腫瘤中過度表達(dá)。在 HRR 缺失的腫瘤中，UBQLN4 的過表達(dá)與PARP1 抑制劑的敏感性相關(guān)。因此，UBQLN4 通過從受損染色質(zhì)中去除 MRE11 來抑制 HRR 活性，使得 PARP1 抑制劑有望治療 UBQLN4 過表達(dá)型腫瘤。

研究人員在兩個(gè)近親家庭中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)常染色體隱性遺傳綜合征。對(duì)從 A-IV-4 和 A-IV-5 病人分離的細(xì)胞進(jìn)行全外顯子組測(cè)序，結(jié)果表明兩名患者UBQLN4 基因外顯子 6 上發(fā)生了有害的純合子 c.976C > T 突變。預(yù)計(jì)這種突變創(chuàng)造了一個(gè)過早的終止密碼子(p.R326X)。這些病人顯示出智力障礙，生長(zhǎng)遲緩，小頭畸形，面部畸形，聽力喪失，共濟(jì)失調(diào)和貧血。為了研究 c.976C>T 突變是否影響 UBQLN4 表達(dá)，作者進(jìn)行了免疫印跡檢測(cè)。抗體都沒有檢測(cè)到來自 B-IV-3 或 A-IV-5 細(xì)胞中的 全UBQLN4 蛋白。結(jié)果表明，c.976C> T 突變產(chǎn)生了 UBQLN4-無效等位基因，進(jìn)而產(chǎn)生一種新的純合子常染色體隱性遺傳綜合征，作者把它命名為''UBQLN4缺乏癥候群''。

圖1. UBQLN4 缺乏癥候群的發(fā)現(xiàn)

為了了解 UBQLN4 功能喪失是否影響 DNA 修復(fù)動(dòng)力學(xué)，研究人員接下來評(píng)估了新抑癌蛋白（NCS）、依托泊苷(etoposide)、順鉑(cisplatin)或 羥基脲(HU)暴露后DMFs 中 DNA 損傷的積累和清除情況。利用全自動(dòng)免疫熒光顯微鏡來量化核 gH2AX 病灶，該病灶可視為未修復(fù)的 DNA 損傷。與野生型對(duì)照組相比，在 NCS 和 etoposide 的作用下，研究人員觀察到患者和雜合細(xì)胞中 gH2AX 灶的清除明顯延遲。相反的是，與依托泊苷和新抑癌蛋白不同，順鉑和羥基脲處理的細(xì)胞在 48 小時(shí)的觀察期內(nèi) gH2AX 灶持續(xù)增加，結(jié)果如圖 2 所示。研究表明，UBQLN4 功能喪失會(huì)增加細(xì)胞對(duì)于基因毒性藥物的敏感性。

圖2. UBQLN4 功能喪失對(duì) DNA 修復(fù)動(dòng)力學(xué)的影響

為了探究 UBQLN4 是否會(huì)重新定位到 DNA 損傷的位置，研究人員使用微激光照射U2OS 細(xì)胞的單個(gè)細(xì)胞核的方法，來誘導(dǎo)產(chǎn)生局部 DNA 損傷病灶。使用 UBQLN4 特定抗體，結(jié)果表明 UBQLN4 的確與 53BP1 結(jié)合，被召集到 DNA 損傷區(qū)域。為了闡明 UBQLN4 的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，研究人員表達(dá)了異位 GFP，并監(jiān)測(cè) UBQLN4 對(duì)U2OS 細(xì)胞激光誘導(dǎo)損傷的補(bǔ)充。結(jié)果表明，在損傷誘導(dǎo)后 5 分鐘內(nèi)，UBQLN4 就被招募到損傷部位(如圖3 所示)。研究人員在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)， UBQLN4 的磷酸化可被 ATM 所介導(dǎo)，而磷酸化的 UBQLN4 對(duì)于適當(dāng)?shù)?DNA 損傷應(yīng)答 (DNA damage response, DDR) 是必須的。

圖 3. UBQLN4 被招募到DNA損傷位點(diǎn)

我們知道，哺乳動(dòng)物細(xì)胞采用兩種主要的 DNA 雙鏈斷裂 (DSB) 修復(fù)途徑，即經(jīng)典的非同源末端連接 (c-NHEJ) 途徑和同源重組修復(fù) (HRR)途徑。研究發(fā)現(xiàn)，UBQLN4 是 ATM 的底物，DSB 封鎖過程在 UBQLN4 缺失的細(xì)胞中明顯受損。UBQLN4 耗竭顯著增加了 HRR 相對(duì)于 NHEJ 在 DSB 修復(fù)中的貢獻(xiàn)，而 UBQLN4 過表達(dá)則顯著增加了 NHEJ 的作用。

圖4. UBQLN4 的缺失會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)同源重組修復(fù)途徑的作用

為了評(píng)估 UBQLN4 表達(dá)與人類癌癥中的相關(guān)性，作者檢查了 498 例神經(jīng)母細(xì)胞瘤病例。與 1 期相比，UBQLN4 mRNA 的表達(dá)在 3 期和 4 期神經(jīng)母細(xì)胞瘤中顯著增加。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)高危病例的 UBQLN4 mRNA 水平相比非高危病人顯著增加。鑒于 HRR 缺乏與 PARP1 抑制劑敏感性有關(guān)，作者研究了olaparib 對(duì) UBQLN4 過表達(dá) U2OS 細(xì)胞和同基因?qū)φ盏拿舾行�。UBQLN4 過表達(dá)顯著增加 olaparib 靈敏度。作者進(jìn)一步檢測(cè)了UBQLN4 表達(dá)水平高 (SY5Y) 或低 (GIMEN) 的神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系的敏感性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與 GIMEN 細(xì)胞相比，SY5Y 細(xì)胞顯示出明顯高的 olaparib 敏感性。

圖5. UBQLN4 過表達(dá)與 PARP1 抑制劑敏感性相關(guān)

小M 的小思考：

研究人員從一種復(fù)雜的遺傳病中確定了一個(gè)純合的 UBQLN4 種系突變，p.R326X。受影響的患者顯示與其他基因組不穩(wěn)定綜合征相似的癥狀，如共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張癥等。研究人員為了闡明其機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn) UBQLN4 以 ATM 依賴的方式被磷酸化然后被募集到 DNA 損傷部位，在這里它通過功能上壓制 HRR 將 DSB 修復(fù)重新定向到 NHEJ 方式。進(jìn)一步研究表明 UBQLN4 可以與泛素化的 MRE11 互動(dòng)，促進(jìn)其蛋白酶體降解。 此外，在 UBQLN4 過度表達(dá)的腫瘤細(xì)胞中 HRR 使用率降低與 PARP1 抑制劑敏感性相關(guān)。本文從生物學(xué)角度揭示了一種新的基因組不穩(wěn)定綜合癥，為 UBQLN4 在調(diào)控 DSB 修復(fù)途徑的選擇上有作用提供了依據(jù)，發(fā)現(xiàn) UBQLN4 過表達(dá)可作為預(yù)測(cè)因子，針對(duì)各種對(duì) PARP1 抑制劑敏感性的癌癥實(shí)體生存率低。

參考文獻(xiàn)

Jachimowicz RD, et al.UBQLN4 Represses Homologous Recombination andIs Overexpressed in Aggressive Tumors. Cell. 2018 Dec 21. pii:S0092-8674(18)31516-2.

相關(guān)產(chǎn)品：

Olaparib

Olaparib (AZD2281; KU0059436) 是一種有效的 PARP 抑制劑，抑制 PARP-1 和 PARP-2 的 IC₅₀ 分別為 5 和 1 nM。